EP1576315A1 - Method and device for influencing combustion processes of fuels - Google Patents

Method and device for influencing combustion processes of fuels

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Publication number
EP1576315A1
EP1576315A1 EP03785570A EP03785570A EP1576315A1 EP 1576315 A1 EP1576315 A1 EP 1576315A1 EP 03785570 A EP03785570 A EP 03785570A EP 03785570 A EP03785570 A EP 03785570A EP 1576315 A1 EP1576315 A1 EP 1576315A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
flame
electrodes
voltage
electrode
ion
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP03785570A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
David Walter Branston
Günter LINS
Jobst Verleger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP1576315A1 publication Critical patent/EP1576315A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C99/00—Subject-matter not provided for in other groups of this subclass
    • F23C99/001—Applying electric means or magnetism to combustion
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M27/00—Apparatus for treating combustion-air, fuel, or fuel-air mixture, by catalysts, electric means, magnetism, rays, sound waves, or the like
    • F02M27/04—Apparatus for treating combustion-air, fuel, or fuel-air mixture, by catalysts, electric means, magnetism, rays, sound waves, or the like by electric means, ionisation, polarisation or magnetism
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N5/00—Systems for controlling combustion
    • F23N5/24—Preventing development of abnormal or undesired conditions, i.e. safety arrangements
    • F23N5/245—Preventing development of abnormal or undesired conditions, i.e. safety arrangements using electrical or electromechanical means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23M—CASINGS, LININGS, WALLS OR DOORS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION CHAMBERS, e.g. FIREBRIDGES; DEVICES FOR DEFLECTING AIR, FLAMES OR COMBUSTION PRODUCTS IN COMBUSTION CHAMBERS; SAFETY ARRANGEMENTS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION APPARATUS; DETAILS OF COMBUSTION CHAMBERS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F23M2900/00—Special features of, or arrangements for combustion chambers
    • F23M2900/05004—Special materials for walls or lining
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R2900/00—Special features of, or arrangements for continuous combustion chambers; Combustion processes therefor
    • F23R2900/00013—Reducing thermo-acoustic vibrations by active means

Definitions

  • the invention relates to a method for influencing combustion processes in fuels, in which electrical means for guiding and / or modifying a flame on a burner are used in accordance with the preamble of claim 1.
  • the invention also relates to a device for Implementation of the method using stabilizing and / or pollutant-reducing agents for influencing the flame during the combustion process, the agents having field-generating electrodes on the burner.
  • US Pat. No. 3,416,870 A states that a flame can be influenced by electrical means without inadmissibly high currents leading to a technically or economically unacceptable power consumption occurring in the flame to be influenced:
  • the flame and At least one of the electrodes required for field generation is separated from one another by an insulating material, in such a way that charge carriers from the flame cannot reach the electrode thus insulated.
  • a voltage that changes over time ie in particular an AC voltage or a pulsating DC voltage, is applied.
  • a current can flow in the flame until the capacitance of the capacitor formed from the electrodes and the insulating material is charged or, in other words, until the electrical opposing field built up by the displacement current and the charge carrier accumulation caused thereby prevents further charge carrier transport.
  • the charges accumulated on the surface of the insulating material during the current flow phase are carried away by loss mechanisms, such as diffusion processes, a displacement current can flow again and the electric field reacts on the flame.
  • EP 0 212 379 B1 discloses an arrangement for improving the combustion process in an internal combustion power plant, in which an ionization element for ionizing the gases involved in the combustion is present.
  • the flame and the electrodes are separated by an ion-conducting substance, which limits the charge carrier transport.
  • the limitation of the charge carrier transport is advantageously temperature-dependent, since the transition from the insulating state to the conductive state is temperature-dependent.
  • the flame can be influenced without impermissibly high currents leading to a technically or economically unacceptable power consumption occurring in the flame to be influenced.
  • the electrical field acts on the flame, the charge carrier transport between the flame and electrodes is limited and the occurrence of independent discharges, in particular arcing, is avoided. This results in a stabilizing and / or pollutant-reducing effect.
  • the specified effects are achieved in a device according to the invention in that the flame and at least one of the electrodes required for generating the field are separated from one another by an ion-conducting insulating material, as a result of which charge carriers from the flame do not affect the so insulated electrode.
  • Either aluminum oxide or in particular a zirconium oxide stabilized with additives is used as the ion-conducting material.
  • Such additives are especially yttrium oxide.
  • sensors are available, one of which measures the frequency of any combustion vibrations that are present and another measures the concentration of pollutants. Sensors supply the input signal to a control unit that controls the frequency, amplitude and phase of the voltage applied to the electrodes in such a way that the combustion vibrations are minimized.
  • FIGS. 1 to 3 each show three different exemplary embodiments of the invention in a schematic sectional illustration.
  • the flame 2 generated by a burner 1 for gaseous, liquid or powdered solid fuels transported in gases or liquids is encased by an insulating sleeve 3 in such a way that the fuel is encased at one end 4 of the envelope and on the other side 5 the combustion exhaust gas emerges.
  • the insulating sleeve 3 consists of ion-conducting material as a specific, high-temperature-resistant ceramic material, which at temperatures of a few hundred Kelvin, as in the vicinity of the gas flames can be reached in gas turbines, becomes electrically conductive through ion conduction.
  • a substance with such properties is in particular aluminum oxide or zirconium oxide stabilized with additives which have ion-conducting properties.
  • the second-mentioned substance is used in high-temperature solid-electrolyte ceramic fuel cells, which are also known as SOFC (Solid Oxide Fuel Cell).
  • SOFC Solid Oxide Fuel Cell
  • an electrode 6 is arranged inside the casing 3.
  • the electrode 6 arranged inside the casing 3 can also be the housing 1 or another electrically conductive part of the burner 1, as shown in FIG.
  • Another electrode 7 is attached outside the casing 3.
  • a plurality of electrodes of the same or different potential can be present both inside and outside the sheath 3, with only one inner and one outer electrode being spoken of for the technical function below for the sake of simplicity.
  • connections of the electrodes 7 and 9 to the power supply unit 8 are electrically isolated from the insulating material shell 3, which surrounds the combustion chamber 5, by means of insulating bushings 12 and 13, respectively.
  • the electrodes shown as examples in the individual figures as toroidal ring electrodes or also as cylinder electrodes can also be designed in another suitable form.
  • the electrodes can consist of foils and be glued to the insulating material cover. Further the electrodes can be evaporated or sprayed onto the insulating material covering by means of suitable methods.
  • the electrodes 6, 7 or 1.7 or 9, 11 are connected by leads to the power supply 8, which supplies a DC voltage.
  • An advantage of the invention is that the specified device also allows the use of an AC voltage, a clocked DC voltage, a pulse voltage or any combination thereof,
  • the insulating material covering 3 can be designed in such a way that - as indicated in the exemplary embodiments in FIGS. 1 and 2 - it encloses the combustion chamber 5. However, it can also enclose a single flame or several flames within a combustion chamber. In a combustion chamber, a plurality of insulating material shells with the electrodes assigned to them can enclose one or more flames.
  • the electrode 9 is shielded from the flame 2 by being completely and positively encased with an insulating material cover 10, while the electrode 11 can be in direct contact with the flame.
  • solids can also be treated in the same way. It is important here that smaller flames form above the solid fuel, which is normally on a grate, which are referred to as so-called flamelets and which are influenced in the sense described above.
  • sensors and control devices can be assigned to the system: a first sensor detects the frequency and / or amplitude of any existing combustion vibrations. A second sensor measures the pollutant concentration in the exhaust gas flow of the flame. The sensors deliver input signals to a control unit, which controls or regulates the direct voltage and frequency, amplitude and phase of an alternating or pulse voltage, which is superimposed on the direct voltage, in such a way that the combustion vibrations and the pollutant concentration in the exhaust gas are minimal.

Abstract

It is known to use electrical means for guiding and/or altering a flame. According to the invention, the flame is subjected to the action of an electric field, and an insulating material enclosure (5) made of ion-conducting material prevents charge transfer between the flame (2) and the field-generating electrode (7, 9).

Description

Beschreibungdescription
Verfahren und Vorrichtung zur Beeinflussung von Verbrennungsvorgängen bei BrennstoffenMethod and device for influencing combustion processes in fuels
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Beeinflussung von Verbrennungsvorgängen bei Brennstoffen, bei dem elektrische Mittel zur Führung und/oder Änderung einer Flamme an einem Brenner eingesetzt werden entsprechend dem Oberbe- griff des Patentanspruches 1. Daneben bezieht sich die Erfindung auch auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens unter Verwendung von stabilisierenden und/oder Schadstoffmindernden Mitteln zur Beeinflussung der Flamme beim Verbrennungsvorgang, wobei die Mittel felderzeugende Elektro- den am Brenner aufweisen.The invention relates to a method for influencing combustion processes in fuels, in which electrical means for guiding and / or modifying a flame on a burner are used in accordance with the preamble of claim 1. The invention also relates to a device for Implementation of the method using stabilizing and / or pollutant-reducing agents for influencing the flame during the combustion process, the agents having field-generating electrodes on the burner.
Die vorteilhaften Einflüsse, die elektrische Felder auf Verbrennungsflammen haben können, sind im Grundsatz seit langem bekannt. Gemäß den Veröffentlichungen - Industrial and Engineering Chemistry 43 (1951) , Seiten 2726 bis 2731,In principle, the advantageous influences that electric fields can have on combustion flames have long been known. According to the publications - Industrial and Engineering Chemistry 43 (1951), pages 2726 to 2731,
- 12th Annual energy-sources technology conf. (1989) , Seiten 25 bis 31 und- 12 th Annual energy-sources technology conf. (1989), pages 25 to 31 and
- AIAA Journal 23 (1985), Seiten 1452 bis 1454 bestehen die Wirkungen des elektrischen Feldes in einer Verbesserung der Stabilität der Flamme. Gemäß- AIAA Journal 23 (1985), pages 1452 to 1454, the effects of the electric field consist in an improvement in the stability of the flame. According to
- Combust . Flame 78 (1989), Seiten 357 bis 364 und- Combust. Flame 78 (1989), pages 357 to 364 and
- Combust . Flame 119 (1999) , Seiten 356 bis 366 ist eine Verringerung der Rußemission und gemäß - Fossil Fuel Combustion, ASME 1991, Seiten 71 bis 75 und- Combust. Flame 119 (1999), pages 356 to 366 is a reduction in soot emission and according to - Fossil Fuel Combustion, ASME 1991, pages 71 to 75 and
- Fluid Dynamics 30 (1995), Seiten 166 bis 174 eine Verminderung der Emission gasförmiger Schadstoffe gegeben.- Fluid Dynamics 30 (1995), pages 166 to 174 given a reduction in the emission of gaseous pollutants.
Aus Combust . Flame 55 (1984) , Seiten 53 bis 58 ist es auch bekannt, Verbrennungsvorgänge durch elektrische Entladungen, insbesondere Corona-Entladungen zu beeinflussen. Auch hier soll eine Verbesserung der Flammenstabilität und eine Verminderung der Schadstoffemission resultieren. Eine technische Anwendung der genannten Effekte wird in der WO 96/01394 AI beschrieben. Allen oben beschriebenen Verfahren ist gemeinsam, dass die Elektroden, die benötigt werden, um das elektrische Feld oder eine Entladung in der Flamme zu erzeugen, in direktem Kontakt mit der Flamme stehen und zwar in dem Sinne, dass Ladungsträger aus der Flamme ungehindert auf die Elektroden gelangen können.From Combust. Flame 55 (1984), pages 53 to 58, it is also known to influence combustion processes by means of electrical discharges, in particular corona discharges. Here too should result in an improvement in flame stability and a reduction in pollutant emissions. A technical application of the effects mentioned is described in WO 96/01394 AI. All of the above-described methods have in common that the electrodes which are required to generate the electric field or a discharge in the flame are in direct contact with the flame in the sense that charge carriers from the flame are unimpeded onto the electrodes can reach.
Der Einfluss elektrischer Felder auf Flammen beruht darauf, dass auf die in der Flamme vorhandenen oder die dort durch eine Entladung erzeugten Ladungsträger Kräfte ausgeübt werden, welche die Ladungsträger verschieben. Dies ist gleichbe- deutend damit, dass ein elektrischer Strom fließt. Im Umkehr- schluss ist die Beeinflussung einer Flamme durch ein elektrisches Feld oder eine elektrische Entladung nicht möglich, wenn kein Strom fließen kann.The influence of electrical fields on flames is based on the fact that forces are exerted on the charge carriers present in the flame or those generated there by a discharge, which shift the charge carriers. This is equivalent to the fact that an electrical current flows. Conversely, it is not possible for a flame to be influenced by an electrical field or an electrical discharge if no current can flow.
Untersuchungen bei der Anmelderin haben gezeigt, dass zur Beeinflussung von Flammen technischer Dimensionen, d.h. bei Heizleistungen im Bereich oberhalb 1kW, elektrische Feldstärken notwendig sind, die wegen der in der Flamme induzierten Gasentladungen elektrische Leistungen erfordern, welche die Anwendung des Verfahrens unwirtschaftlich oder technisch unmöglich machen. Im Extremfall kommt es zur Ausbildung eines Lichtbogens innerhalb der Flamme. Dies gilt vor allem für elektrische Gleichfelder. Es kann jedoch auch bei der dem Stand der Technik entsprechenden Anwendung elektrischer Wech- seifeider oder gepulster elektrischer Felder zur Ausbildung unzulässiger stromstarker Entladungen kommen.Studies by the applicant have shown that to influence flames technical dimensions, i.e. in the case of heating powers in the range above 1 kW, electrical field strengths are necessary which, because of the gas discharges induced in the flame, require electrical powers which make the application of the method uneconomical or technically impossible. In extreme cases, an arc is formed within the flame. This applies above all to DC electrical fields. However, in the case of the use of alternating electric wafers or pulsed electric fields corresponding to the prior art, inadmissible high-current discharges can occur.
In der US 3 416 870 A wird dargelegt, dass eine Flamme sich mit elektrischen Mitteln beeinflussen lässt, ohne dass unzu- lässig hohe, zu einer technisch oder wirtschaftlich nicht vertretbaren Leistungsaufnahme führende Ströme in der zu beeinflussenden Flamme auftreten: Dazu werden die Flamme und mindestens eine der zur Felderzeugung nötigen Elektroden durch einen Isolierstoff von einander getrennt, derart, dass Ladungsträger aus der Flamme nicht auf die so isolierte Elektrode gelangen können. Zwischen der isolierten Elektrode und einer weiteren Elektrode, die mit der Flamme in Kontakt stehen kann, wird eine zeitlich veränderliche Spannung, d.h. insbesondere eine WechselSpannung oder eine pulsierende Gleichspannung angelegt. In der Flamme kann ein Strom so lange fließen, bis die Kapazität des aus den Elektroden und dem Isolierstoff gebildeten Kondensators aufgeladen ist oder anders ausgedrückt - bis das durch den Verschiebungsstrom und die dadurch bewirkte Ladungsträgeransammlung aufgebaute elektrische Gegenfeld einen weiteren Ladungsträgertransport verhindert. Wach Abtransport der während der Stromflussphase auf der Oberfläche des Isolierstoffs angesammelten Ladungen durch Verlustmechanismen, wie beispielsweise Diffusionsprozesse, kann erneut ein Verschiebungsstrom fließen, und es kommt zu einer erneuten Einwirkung des elektrischen Feldes auf die Flamme.US Pat. No. 3,416,870 A states that a flame can be influenced by electrical means without inadmissibly high currents leading to a technically or economically unacceptable power consumption occurring in the flame to be influenced: For this purpose, the flame and At least one of the electrodes required for field generation is separated from one another by an insulating material, in such a way that charge carriers from the flame cannot reach the electrode thus insulated. Between the insulated electrode and another electrode that can be in contact with the flame, a voltage that changes over time, ie in particular an AC voltage or a pulsating DC voltage, is applied. A current can flow in the flame until the capacitance of the capacitor formed from the electrodes and the insulating material is charged or, in other words, until the electrical opposing field built up by the displacement current and the charge carrier accumulation caused thereby prevents further charge carrier transport. When the charges accumulated on the surface of the insulating material during the current flow phase are carried away by loss mechanisms, such as diffusion processes, a displacement current can flow again and the electric field reacts on the flame.
Gleiches ergibt sich im Prinzip auch aus der GB 1 013 015 A, bei der beim Verbrennungsprozess gleichermaßen elektrische und/oder magnetische Felder auf die Flamme einwirken. Weiterhin ist aus der EP 0 212 379 Bl eine Anordnung zur Verbesse- rung des Verbrennungsprozesses in einem Verbrennungskraftwerk bekannt, bei dem ein Ionisierungselement zur Ionisierung der an der Verbrennung beteiligten Gase vorhanden ist.In principle, the same also results from GB 1 013 015 A, in which electrical and / or magnetic fields act equally on the flame during the combustion process. Furthermore, EP 0 212 379 B1 discloses an arrangement for improving the combustion process in an internal combustion power plant, in which an ionization element for ionizing the gases involved in the combustion is present.
Experimentelle Untersuchungen an einer Vorrichtung nach dem Prinzip der US 3 416 870 A zeigen, dass der Effekt des elektrischen Feldes vom Tastverhältnis der angelegten Impulsspannung in der Weise abhängt, dass der erzielbare Effekt umso größer ist, je länger tatsächlich eine Spannung anliegt, d.h. je größer das Tastverhältnis ist. Dem zu Folge würde die größte Wirkung beim Anlegen einer Gleichspannung erreicht, wenn auch in diesem Fall ein Strom fließen könnte. Da die Flamme von einer Isolierstoffhülle umschlossen ist, bewirkt das Anlegen einer Gleichspannung ohne besondere weitere Maßnahmen nicht das Fließen eines Stromes und bleibt damit ohne eine Wirkung im angestrebten Sinne.Experimental investigations on a device based on the principle of US 3,416,870 A show that the effect of the electric field depends on the pulse duty factor of the applied pulse voltage in such a way that the longer the voltage is actually applied, the greater the achievable effect the duty cycle is. As a result, the greatest effect would be achieved when applying a DC voltage, even if a current could flow in this case. Since the flame is enclosed in an insulating material, the application of a DC voltage without any special measures does not result in the flow of a current and therefore has no effect in the intended sense.
Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren anzugeben und die zugehörige Vorrichtung zu schaffen, mit denen die Verbrennungsvorgänge in wirtschaftlicher Weise positiv beeinflusst werden können.Based on this, it is the object of the invention to provide an improved method and to create the associated device with which the combustion processes can be positively influenced in an economical manner.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Maßnahmen des Patentanspruches 1 gelöst. Eine zugehörige Vorrichtung ist Gegenstand des Patentanspruches 7. Weiterbildungen des Verfahrens und/oder der zugehörigen Vorrichtung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.The object is achieved by the measures of claim 1. An associated device is the subject of claim 7. Further developments of the method and / or the associated device are specified in the dependent claims.
Bei der Erfindung werden die Flamme und die Elektroden durch einen ionenleitenden Stoff getrennt, wodurch der Ladungsträgertransport begrenzt wird. Dabei erfolgt die Begrenzung des Ladungsträgertransportes vorteilhafterweise temperaturabhän- gig, da der Übergang vom isolierenden Zustand in den leitenden Zustand temperaturabhängig ist.In the invention, the flame and the electrodes are separated by an ion-conducting substance, which limits the charge carrier transport. The limitation of the charge carrier transport is advantageously temperature-dependent, since the transition from the insulating state to the conductive state is temperature-dependent.
Mit der Erfindung lässt sich die Flamme beeinflussen, ohne dass unzulässig hohe, zu einer technisch oder wirtschaftlich nicht vertretbaren Leistungsaufnahme führende Ströme in der zu beeinflussenden Flamme auftreten. Bei der Einwirkung des elektrischen Feldes auf die Flamme wird der Ladungsträger- transport zwischen Flamme und Elektroden begrenzt und das Auftreten selbständiger Entladungen, insbesondere von Licht- bögen, vermieden. Dadurch ergibt sich eine stabilisierende und/oder Schadstoffreduzierende Wirkung.With the invention, the flame can be influenced without impermissibly high currents leading to a technically or economically unacceptable power consumption occurring in the flame to be influenced. When the electrical field acts on the flame, the charge carrier transport between the flame and electrodes is limited and the occurrence of independent discharges, in particular arcing, is avoided. This results in a stabilizing and / or pollutant-reducing effect.
Die angegebenen Auswirkungen werden bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung dadurch realisiert, dass die Flamme und min- destens eine der zur Felderzeugung nötigen Elektroden durch einen ionenleitenden Isolierstoff voneinander getrennt werden, wodurch Ladungsträger aus der Flamme nicht auf die so isolierte Elektrode gelangen können. Als ionenleitendes Material wird entweder Aluminiumoxid oder insbesondere ein mit Zusätzen stabilisiertes Zirkoniumoxid verwendet. Solche Zusätze sind insbesondere Yttriumoxid.The specified effects are achieved in a device according to the invention in that the flame and at least one of the electrodes required for generating the field are separated from one another by an ion-conducting insulating material, as a result of which charge carriers from the flame do not affect the so insulated electrode. Either aluminum oxide or in particular a zirconium oxide stabilized with additives is used as the ion-conducting material. Such additives are especially yttrium oxide.
Zusätzliche Vorteile der Erfindung ergeben sich, wenn dem System Sensoren und Regelvorrichtungen zugeordnet werden, die die an den Elektroden anliegende Spannung so steuern, dass der Verbrennungsprozess in gewünschter Weise beeinflusst wird. Vorteilhafterweise sind Sensoren vorhanden, von denen einer die Frequenz etwa vorhandener VerbrennungsSchwingungen und ein anderer die Schadstoffkonzentration misst. Sensoren liefern das Eingangssignal zu einer Regelungseinheit, die Frequenz, Amplitude und Phase der an die Elektroden angeleg- ten Spannung so steuert, dass die VerbrennungsSchwingungen minimiert werden.Additional advantages of the invention result if the system is assigned sensors and control devices which control the voltage applied to the electrodes in such a way that the combustion process is influenced in the desired manner. Advantageously, sensors are available, one of which measures the frequency of any combustion vibrations that are present and another measures the concentration of pollutants. Sensors supply the input signal to a control unit that controls the frequency, amplitude and phase of the voltage applied to the electrodes in such a way that the combustion vibrations are minimized.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentansprüchen. Die Figuren 1 bis 3 zeigen jeweils in schematischer Schnittdarstellung drei unterschiedliche Ausführungsbeispiele der Erfindung.Further details and advantages of the invention will become apparent from the following description of the figures with reference to the drawing in conjunction with the claims. FIGS. 1 to 3 each show three different exemplary embodiments of the invention in a schematic sectional illustration.
In den Figuren haben gleiche oder gleich wirkende Teile glei- ehe Bezugszeichen. Die Figuren werden nachfolgend teilweise gemeinsam beschrieben.In the figures, parts that are the same or have the same effect have the same reference numerals. The figures are partially described below together.
Gemäß Figur 1 wird die von einem Brenner 1 für gasförmige, flüssige oder in Gasen oder Flüssigkeiten transportierte, pulverförmig aufbereitete feste Brennstoffe erzeugte Flamme 2 von einer Isolierstoffhülle 3 so ummantelt, dass an einem Ende 4 der Umhüllung der Brennstoff ein- und an der anderen Seite 5 das Verbrennungsabgas austritt. Die Isolierstoffhülle 3 besteht aus ionenleitendem Stoff als einem spezifischen, hochtemperaturfesten keramischen Material, das bei Temperaturen von einigen hundert Kelvin, wie sie in der Nähe der Gas- flammen in Gasturbinen erreicht werden, durch Ionenleitung elektrisch leitend wird.According to FIG. 1, the flame 2 generated by a burner 1 for gaseous, liquid or powdered solid fuels transported in gases or liquids is encased by an insulating sleeve 3 in such a way that the fuel is encased at one end 4 of the envelope and on the other side 5 the combustion exhaust gas emerges. The insulating sleeve 3 consists of ion-conducting material as a specific, high-temperature-resistant ceramic material, which at temperatures of a few hundred Kelvin, as in the vicinity of the gas flames can be reached in gas turbines, becomes electrically conductive through ion conduction.
Ein Stoff mit derartigen Eigenschaften ist insbesondere Alu- miniumoxid oder mit Zusätzen stabilisiertes Zirkoniumoxid, die ionenleitende Eigenschaften haben. Insbesondere der zweitgenannte Stoff wird bei festelektrolytkeramischen Hochtemperatur-Brennstoffzellen, die auch als SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) bekannt sind, verwendet. Dort ermöglicht dieses Material den Ladungsträgertransport - in diesem Fall über den ionenleitenden Elektrolyten - bei hinreichend hohen Temperaturen .A substance with such properties is in particular aluminum oxide or zirconium oxide stabilized with additives which have ion-conducting properties. In particular, the second-mentioned substance is used in high-temperature solid-electrolyte ceramic fuel cells, which are also known as SOFC (Solid Oxide Fuel Cell). There, this material enables charge carrier transport - in this case via the ion-conducting electrolyte - at sufficiently high temperatures.
In Figur 1 ist eine Elektrode 6 innerhalb der Umhüllung 3 an- geordnet. Die innerhalb der Umhüllung 3 angeordnete Elektrode 6 kann auch das Gehäuse 1 oder ein anderes elektrisch leitendes Teil des Brenners 1 sein wie es in Figur 2 dargestellt ist.In FIG. 1, an electrode 6 is arranged inside the casing 3. The electrode 6 arranged inside the casing 3 can also be the housing 1 or another electrically conductive part of the burner 1, as shown in FIG.
Eine weitere Elektrode 7 ist außerhalb der Umhüllung 3 angebracht. Sowohl innerhalb als auch außerhalb der Umhüllung 3 können mehrere Elektroden gleichen oder unterschiedlichen Potentials vorhanden sein, wobei für die technische Funktion nachfolgend der Einfachheit halber immer nur von einer inne- ren und einer äußeren Elektrode gesprochen wird.Another electrode 7 is attached outside the casing 3. A plurality of electrodes of the same or different potential can be present both inside and outside the sheath 3, with only one inner and one outer electrode being spoken of for the technical function below for the sake of simplicity.
In den Ausführungsbeispielen der Figuren 1 und 3 sind die Verbindungen der Elektroden 7 bzw. 9 mit dem Netzteil 8 durch Isolierdurchführungen 12 bzw. 13 von der Isolierstoffhülle 3, welche die Brennkammer 5 umgibt, galvanisch getrennt.In the exemplary embodiments in FIGS. 1 and 3, the connections of the electrodes 7 and 9 to the power supply unit 8 are electrically isolated from the insulating material shell 3, which surrounds the combustion chamber 5, by means of insulating bushings 12 and 13, respectively.
Die in den einzelnen Figuren beispielhaft als torusförmige Ringelektroden oder auch als Zylinderelektroden dargestellten Elektroden können auch in anderer geeigneter Gestalt ausge- führt sein. Insbesondere können die Elektroden aus Folien bestehen und auf die Isolierstoffhülle aufgeklebt sein. Ferner können die Elektroden auf die Isolierstoffumhüllung mittels geeigneter Verfahren aufgedampft oder aufgespritzt werden.The electrodes shown as examples in the individual figures as toroidal ring electrodes or also as cylinder electrodes can also be designed in another suitable form. In particular, the electrodes can consist of foils and be glued to the insulating material cover. Further the electrodes can be evaporated or sprayed onto the insulating material covering by means of suitable methods.
In den Figuren sind die Elektroden 6, 7 bzw. 1,7 bzw. 9, 11 durch Zuleitungen mit dem Netzteil 8 verbunden, das eine Gleichspannung liefert. Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die angegebene Vorrichtung auch die Anwendung einer Wechselspannung, einer getakteten Gleichspannung, einer ImpulsSpannung oder beliebiger Kombinationen davon gestattet,In the figures, the electrodes 6, 7 or 1.7 or 9, 11 are connected by leads to the power supply 8, which supplies a DC voltage. An advantage of the invention is that the specified device also allows the use of an AC voltage, a clocked DC voltage, a pulse voltage or any combination thereof,
Die Isolierstoffumhüllung 3 kann so ausgelegt sein, dass sie- wie in den Ausführungsbeispielen der Figuren 1 und 2 angedeutet - die Brennkammer 5 umhüllt. Sie kann jedoch auch innerhalb einer Brennkammer eine einzelne Flamme oder auch mehrere Flammen umschließen. In einer Brennkammer können mehrere Iso- lierstoffhüllen mit den ihnen zugeordneten Elektroden eine oder jeweils mehrere Flammen umschließen.The insulating material covering 3 can be designed in such a way that - as indicated in the exemplary embodiments in FIGS. 1 and 2 - it encloses the combustion chamber 5. However, it can also enclose a single flame or several flames within a combustion chamber. In a combustion chamber, a plurality of insulating material shells with the electrodes assigned to them can enclose one or more flames.
Im Ausführungsbeispiel der Figur 3 wird die Elektrode 9 da- durch von der Flamme 2 abgeschirmt, dass sie vollständig und formschlüssig mit einer Isolierstoffhülle 10 ummantelt ist, während die Elektrode 11 in direktem Kontakt mit der Flamme stehen kann.In the exemplary embodiment in FIG. 3, the electrode 9 is shielded from the flame 2 by being completely and positively encased with an insulating material cover 10, while the electrode 11 can be in direct contact with the flame.
Statt des gasförmigen Brennstoffes können auch Feststoffe in der gleichen Weise behandelt werden. Wesentlich ist hierbei, dass über dem Festbrennstoff, der sich im Normalfall auf einem Rost befindet, kleinere Flammen bilden, die als sogenannte Flamelets bezeichnet werden und die im oben beschriebenen Sinne beeinflusst werden.Instead of the gaseous fuel, solids can also be treated in the same way. It is important here that smaller flames form above the solid fuel, which is normally on a grate, which are referred to as so-called flamelets and which are influenced in the sense described above.
Der wesentliche Vorteil der anhand der einzelnen Figuren beschriebenen Anordnungen besteht darin, dass der Strom durch die Flamme zwar ausreicht, um Schadstoffmindernde und stabi- lisierende Effekte zu bewirken, jedoch immer soweit begrenzt bleibt, dass der Aufbau einer ström- und leistungsstarken Entladung ausgeschlossen ist. Zur Komplettierung der in den Figuren dargestellten Beispiele lassen sich dem System Sensoren und Regelungsvorrichtungen zuordnen: Ein erster Sensor erfasst die Frequenz und/oder Amplitude etwa vorhandener Verbrennungs-Schwingungen. Ein zweiter Sensor misst die Schadstoffkonzentration im Abgasstrom der Flamme. Die Sensoren liefern Eingangssignale zu einer Regelungseinheit, welche die an den Elektroden anliegende Gleichspannung und Frequenz, Amplitude und Phase einer der Gleichspannung etwa überlagerten Wechsel- oder ImpulsSpannung derart steuert bzw. regelt, dass die VerbrennungsSchwingungen und die Schadstoffkonzentration im Abgas minimal wird. The main advantage of the arrangements described with reference to the individual figures is that the current through the flame is sufficient to bring about pollutant-reducing and stabilizing effects, but is always limited to such an extent that the build-up of a current and high-performance discharge is impossible. To complete the examples shown in the figures, sensors and control devices can be assigned to the system: a first sensor detects the frequency and / or amplitude of any existing combustion vibrations. A second sensor measures the pollutant concentration in the exhaust gas flow of the flame. The sensors deliver input signals to a control unit, which controls or regulates the direct voltage and frequency, amplitude and phase of an alternating or pulse voltage, which is superimposed on the direct voltage, in such a way that the combustion vibrations and the pollutant concentration in the exhaust gas are minimal.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Beeinflussung von Verbrennungsvorgängen bei Brennstoffen, bei dem elektrische Mittel zur Führung und/oder Änderung einer Flamme verwendet werden, wobei die Flamme der Einwirkung eines elektrischen Feldes ausgesetzt und ein Ladungsträgertransport von der Flamme zu mindestens einer der felderzeugenden Elektroden oder umgekehrt dadurch begrenzt wird, dass die Flamme und die Elektrode voneinander getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, dass zur Trennung von Flamme und Elektrode ein ionenleitender Stoff verwendet wird, wodurch ein Ladungsträgertransport von der Flamme zu wenigstens einer der feiderzeugenden Elektroden oder umgekehrt begrenzt wird.1. A method for influencing combustion processes in fuels, in which electrical means for guiding and / or changing a flame are used, the flame being exposed to the action of an electric field and thereby limiting charge carrier transport from the flame to at least one of the field-generating electrodes or vice versa is that the flame and the electrode are separated from one another, characterized in that an ion-conducting substance is used to separate the flame and the electrode, as a result of which a charge carrier transport from the flame to at least one of the flame-generating electrodes or vice versa is limited.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei Material und Geometrie des ionenleitenden Stoffes so gewählt werden, dass durch Ionenleitung ein temperaturabhängiger Übergang vom isolierenden in den leitenden Zustand erfolgt, wobei im leitenden Zustand die Leitfähigkeit auf zulässige Werte begrenzt bleibt.2. The method according to claim 1, wherein the material and geometry of the ion-conducting substance are selected such that a temperature-dependent transition from the insulating to the conducting state takes place by ion conducting, the conductivity remaining limited to permissible values in the conducting state.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Leitfähigkeit derart begrenzt wird, dass der Ladungsträgertransport gering ist und der Strom durch die Flamme zulässige Werte nicht überschrei- tet.3. The method according to claim 2, wherein the conductivity is limited such that the charge carrier transport is low and the current through the flame does not exceed permissible values.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Ladungsträgertransport so gering gehalten wird, dass beim Verbrennungsvorgang das Auftreten selbständiger, insbesondere stromstarker, Ent- ladungen, beispielsweise eines Lichtbogens, verhindert wird.4. The method according to claim 3, wherein the charge carrier transport is kept so low that the occurrence of independent, in particular high-current, discharges, for example an arc, is prevented during the combustion process.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Ladungsträgertransport derart begrenzt wird, dass thermo- akustische Emissionen vermindert werden. 5. The method according to any one of the preceding claims, wherein the charge carrier transport is limited such that thermo-acoustic emissions are reduced.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein vorgemischtes Gas als Brennstoff verwendet wird.6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a premixed gas is used as fuel.
7. Vorrichtung zur Durchführung des Verf hrens nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 6 unter Verwendung von stabilisierenden und/oder schadstoffmindernden Mitteln zur Beeinflussung der Flamme beim Verbrennungsvorgang, wobei die Mittel felderzeugende Elektroden aufweisen und mindestens ei- ne der Elektroden durch eine Isolierstoffhülle von der Flamme getrennt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierstoff- hülle (3) aus einem ionenleitenden Material besteht, wodurch verhindert wird, dass Ladungsträger aus der Flamme (2) auf die Elektrode (7, 9) treffen.7. Apparatus for carrying out the method according to claim 1 or one of claims 2 to 6 using stabilizing and / or pollutant-reducing agents for influencing the flame during the combustion process, the agents having field-generating electrodes and at least one of the electrodes through an insulating sleeve is separated from the flame, characterized in that the insulating sleeve (3) consists of an ion-conducting material, which prevents charge carriers from the flame (2) from hitting the electrode (7, 9).
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Material bei Temperaturen von einigen 100 K durch die Ionenleitung in den leitenden Zustand übergeht.8. The device according to claim 7, characterized in that the material at temperatures of a few 100 K passes through the ion conduction into the conductive state.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass das ionenleitende Material Aluminiumoxid ist.9. The device according to claim 7 and 8, characterized in that the ion-conducting material is aluminum oxide.
10. Vorrichtung nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass das ionenleitende Material ein mit Zusätzen stabi- lisiertes Zirkoniumoxid ist.10. The device according to claim 7 and 8, characterized in that the ion-conducting material is a zirconium oxide stabilized with additives.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusätze Yttriumoxid sind.11. The device according to claim 10, characterized in that the additives are yttrium oxide.
12. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierstoffhülle (3) die Flamme (2) derart umgibt, dass an ihrem einen Ende der Brennstoff eintritt und am anderen Ende das Verbrennungsabgas austritt.12. The device according to claim 7, characterized in that the insulating material (3) surrounds the flame (2) such that the fuel enters at one end and the combustion exhaust gas exits at the other end.
13. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine weitere Elektrode (1, 9) vorhanden ist, die nicht von einer Isolierstoffhülle (3) umgeben ist. 13. The apparatus according to claim 7, characterized in that at least one further electrode (1, 9) is present, which is not surrounded by an insulating material cover (3).
14. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich innerhalb der Isolierstoff ülle (3) die weitere Elektrode (9) befindet.14. The apparatus according to claim 7, characterized in that the further electrode (9) is located inside the insulating sleeve (3).
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die innerhalb der Isolierstoffhülle (3) angeordnete Elektrode durch ein Gehäuse oder ein anderes elektrisch leitendes Teil des Brenners (1) gebildet ist.15. The apparatus according to claim 14, characterized in that the electrode arranged within the insulating sleeve (3) is formed by a housing or another electrically conductive part of the burner (1).
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (7, 9) auf gegenüber der ersten Elektrode (1) unterschiedlichem Potential liegen.16. Device according to one of claims 7 to 15, characterized in that the electrodes (7, 9) are at different potential than the first electrode (1).
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Elektroden (7) formschlüssig von der Isolierstoffhülle (3) anliegt.17. Device according to one of claims 7 to 16, characterized in that at least one of the electrodes (7) bears positively from the insulating material cover (3).
18. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (7, 9) unterschiedlichen Potentials von der18. The apparatus according to claim 7, characterized in that the electrodes (7, 9) of different potential from
Isolierstoffhülle (3) galvanisch getrennt sind.Isolierstoffhülle (3) are galvanically isolated.
19. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierstoffhülle (3) elektrisch isolierende Durchführun- gen (10) aufweist.19. The device according to claim 7, characterized in that the insulating sleeve (3) has electrically insulating bushings (10).
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (7, 9) torusförmige Ringelektroden bilden.20. Device according to one of claims 7 to 18, characterized in that the electrodes (7, 9) form toroidal ring electrodes.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (7, 9), Zylinderelektroden bilden.21. Device according to one of claims 7 to 20, characterized in that the electrodes (7, 9) form cylindrical electrodes.
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (7, 9) durch auf die Iso- lierstoffhülle außen aufgebrachte Folien und/oder durch Auf- dampfen oder Aufspritzen hergestellte Schichten gebildet werden.22. Device according to one of claims 7 to 21, characterized in that the electrodes (7, 9) by foils applied to the outside of the insulating sleeve and / or by applying vapor or spray-formed layers are formed.
23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (1, 7; 1, 9; 6, 7) durch Zuleitungen mit einem Netzteil (8) verbunden sind.23. Device according to one of claims 7 to 22, characterized in that the electrodes (1, 7; 1, 9; 6, 7) are connected to a power supply unit (8) by feed lines.
24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Netzteil (8) eine Gleichspannung liefert.24. The device according to claim 23, characterized in that the power supply unit (8) supplies a DC voltage.
25. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Netzteil (8) eine getaktete Gleichspannung, eine Wechselspannung oder eine ImpulsSpannung liefert.25. The device according to claim 23, characterized in that the power supply unit (8) supplies a clocked DC voltage, an AC voltage or a pulse voltage.
26. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Netzteil (8) eine getaktete Gleichspannung, eine WechselSpannung oder eine ImpulsSpannung liefert, die einer konstanten Gleichspannung überlagert sind.26. The apparatus according to claim 23, characterized in that the power supply (8) supplies a clocked DC voltage, an AC voltage or a pulse voltage, which are superimposed on a constant DC voltage.
27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass Sensoren für die Frequenz und/oder Amplitude von VerbrennungsSchwingungen und/oder die Schadstoffkonzentration im Abgasstrom vorhanden sind, wobei durch wenigstens eine Steuer und/oder Regelvorrichtung Frequenz, A p- litude und Phase der an die Elektrode angelegten Spannung so gesteuert bzw. geregelt wird, dass die VerbrennungsSchwingungen bzw. die Schadstoffkonzentration minimiert werden. 27. Device according to one of claims 7 to 26, characterized in that sensors for the frequency and / or amplitude of combustion vibrations and / or the pollutant concentration in the exhaust gas flow are present, with frequency, A p- litude by at least one control and / or regulating device and phase of the voltage applied to the electrode is controlled or regulated in such a way that the combustion vibrations or the pollutant concentration are minimized.
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